[科普中國]-航空發(fā)動機材料

發(fā)展歷程

航空發(fā)動機材料是制造航空發(fā)動機氣缸、活塞、壓氣機、燃燒室、渦輪、軸和尾噴管等主要部件所用的結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動機早期采用鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不銹鋼等制造；后期為適應(yīng)增加發(fā)動機推力、提高飛機飛行速度的需要，鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料相繼得到應(yīng)用。在航空發(fā)動機中，渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽為“王冠上的明珠”。渦輪葉片的性能水平，特別是承溫能力成為一種型號發(fā)動機先進程度的重要標志，在一定意義上，也是一個國家航空工業(yè)水平的顯著標志。1

渦輪葉片材料發(fā)展20世紀40年代，噴氣式發(fā)動機原理早已提出，但沒有合適的高溫材料用于制造渦輪，發(fā)展遲緩。

五六十年代，英國的White公司開發(fā)出了鎳基高溫合金。此外，真空熔煉方法制造高溫合金純度得到提高，性能更好。航空發(fā)動機渦輪葉片采用變形高溫合金和鑄造高溫合金。

70年代，隨著航空發(fā)動機不斷追求高推重比，開發(fā)出定向凝固、單晶鑄造等高溫部件制造工藝，使葉片的最高工作溫度和耐疲勞性能進一步提高。國外現(xiàn)役發(fā)動機葉片材料主要采用第二代和第三代單晶合金。這些單晶合金由于富錸易產(chǎn)生脆性相，近年來研究加入釕或銥以減少脆性傾向，開發(fā)出第四代單晶合金。葉片技術(shù)發(fā)展的趨勢是將結(jié)構(gòu)一材料一工藝統(tǒng)一考慮，采用鑄造及激光打孔工藝直接制造發(fā)散冷卻孔道。

80年代，開始研制陶瓷葉片材料，除提高葉片材料的耐溫等級外，將由金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復(fù)合材料作為葉片的“熱障涂層”受到重視。該技術(shù)依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力，利用高溫金屬作韌化元素，從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。目前采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態(tài)反應(yīng)等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復(fù)合材料，包括Nb - Cr2Nb、NB - Nbs Si3以及NB - MoSi2等。微疊層納米熱障涂層可望將葉片的耐溫能力提高260C°，除用于葉片外，微疊層復(fù)合材料在無疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復(fù)合材料風扇葉片涂層等方面也有應(yīng)用機遇。

我國發(fā)動機葉片材料發(fā)展態(tài)勢良好，僅鑄造渦輪葉片材料就超過20種，并開展了單晶鎳基高溫合金、金屬間化合物、陶瓷和C/C復(fù)合材料的研制。我國低密變、低成本的第一代單晶合金DD3性能與國外同代合金相當，已用于直升機小發(fā)動機渦輪葉片；第二代單晶高溫合金DD6正在推廣應(yīng)用于先進的渦輪發(fā)動機葉片，其承溫能力相當于國外同代合金，而成本更低。就渦輪盤材料而言，除廣泛使用的粉末盤及其發(fā)展成的雙性能粉末盤、三性能粉末盤外，細晶變形盤由于成本低也被看好。俄羅斯制造業(yè)堅持認為采用傳統(tǒng)熔鑄變形盤完全可滿足第四、五代發(fā)動機的需要。作為一種新的渦輪盤方案，近年來開發(fā)了無夾雜的噴射盤。該技術(shù)與粉末冶金工藝相比具有工序簡化、成本降低的優(yōu)勢，其快凝組織特性又奠定了其性能優(yōu)勢，包括遠優(yōu)于鑄鍛工藝、相當或高F粉末冶金工藝的強度與持久壽命，優(yōu)于粉末冶金工藝的塑性、韌性及低周疲勞壽命，因晶粒細化而改善的熱加工性能等。由于傳統(tǒng)變形盤的工藝設(shè)備均能使用，且材料利用率高，成本明顯低于粉末盤，因此，噴射盤有可能成為粉末盤的強勁對手。1

渦輪盤材料發(fā)展20世紀40年代的渦輪進口溫度約為800~ 900C°，其采用16 -25 -6鐵基合金。

50年代，隨著渦輪進口溫度提高到950℃，出現(xiàn)了沉淀硬化合金，應(yīng)用沉淀強化原理使合金具有更高的高溫強度。

70年代，進口溫度提高到了1240℃，出現(xiàn)了Rene95合金和粉末冶金高溫合金。

在這些先進航空發(fā)動機中，高溫材料仍屬于核心技術(shù)。如軍用發(fā)動機中的高溫鈦合金（壓氣機盤和葉片）、高溫合金板材（燃燒室）和粉末冶金材料以及單晶葉片材料（渦輪）等，民用發(fā)動機中使用的單晶葉片材料和粉末高溫合金渦輪盤材料。1

發(fā)展趨勢發(fā)動機熱端部件的材料主要以高溫合金為主，如鈦合金的應(yīng)用就始于發(fā)動機，且至今仍是發(fā)動機壓氣機的主打材料。真空熔煉、定向凝固以及單晶鑄造的引入使發(fā)動機渦輪進口溫度從1940年的700℃增加到2000年的1 650°C，發(fā)動機的壽命也大為上升。下一步，渦輪進口溫度將從1650℃增加到1715℃，2020年以后可能上升到1977°C。為實現(xiàn)這些苛刻的要求，還要依靠材料、工藝與冷卻技術(shù)的完美結(jié)合。

航空發(fā)動機材料的一個重要發(fā)展趨勢是繼續(xù)開發(fā)新的三、四代單晶合金，美國NASA開發(fā)的第四代單晶合金工作溫度比第三代高出27～42℃俄羅斯正在開發(fā)的ⅨC-55也屬于第4代單晶，在1100℃、100h的持久強度高達180～190MPa。美國NASA還打算將工作溫度比第四代單晶再提高56℃，這已十分接近合金的熔點了。此外，鎳鋁型合金也是發(fā)展方向之一。

目前，較先進的發(fā)動機上高溫合金占55%～65%，鈦合金用量25%～40%，發(fā)動機推重比已達到10，渦輪進口溫度達到1650℃。要將發(fā)動機的推重比進一步提高，首先要發(fā)展高溫結(jié)構(gòu)材料，如金屬間化合物材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷及C/C基復(fù)合材料等，因此，這些材料也一直是航空發(fā)動機材料研究的重點。2

航空發(fā)動機材料特點航空發(fā)動機的特點是體積小,功率大,各部件的工作條件嚴酷，特別是轉(zhuǎn)動件在不同的溫度、載荷、環(huán)境介質(zhì)（空氣，燃氣）下工作，大多須用比強度高、耐熱性好和抗腐蝕能力強的材料制造。航空發(fā)動機的使用期限不盡相同,軍用飛機發(fā)動機一般為100～1000小時；民用機發(fā)動機甚至要求1萬小時以上,所用材料的組織和性能須保持長時間穩(wěn)定。航空發(fā)動機早期采用鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不銹鋼等制造；后期為適應(yīng)增加發(fā)動機推力、提高飛機飛行速度的需要，鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料相繼得到應(yīng)用。

使用鑄鋁合金、合金鋼制造的活塞式航空發(fā)動機，在1903年裝備了第一架螺旋槳式飛機。40年代到50年代初有了高溫合金，渦輪噴氣發(fā)動機才得以研制成功，使飛機的飛行速度超過了音速。60年代由于鑄造高溫合金和鈦合金的應(yīng)用和發(fā)展，渦輪風扇發(fā)動機得以研制成功。70年代定向凝固高溫合金空心渦輪葉片、粉末高溫合金渦輪盤和新的鈦合金的出現(xiàn)，使渦輪進口溫度提高到1370°C，使渦輪風扇發(fā)動機的推重比達到8以上。

活塞式航空發(fā)動機 汽缸一般用強度達 1000 兆帕(約100公斤/毫米)的中碳鉻-鉬-鋁鋼制做,以便表面滲氮,提高耐磨性和耐蝕性。活塞用強度為300兆帕（約30公斤/毫米）的鍛造鋁合金制作，再嵌裝上合金鑄鐵漲圈，起耐磨和封嚴的作用。聯(lián)桿和曲軸用優(yōu)質(zhì)的鉻－鎳合金鋼制造，有耐磨要求的部位還經(jīng)過滲碳或氮化處理。

渦輪噴氣發(fā)動機壓氣機的零部件工作溫度一般低于650℃，要求用比強度和疲勞強度高、抗沖擊和耐腐蝕的材料制造。離心式壓氣機的葉輪使用高強度鋁合金。軸流式壓氣機的前風扇葉片用鈦合金。低壓轉(zhuǎn)子的輪盤和葉片用鋼和鋁合金，發(fā)展趨勢是全部用鈦合金。高壓轉(zhuǎn)子的輪盤和葉片用耐熱鋼，發(fā)展趨勢是用高溫合金。前機匣用鋼或鈦合金制造，有的機匣為了隔音還需要用吸音材料。燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)的溫度高達1800～2000°C，盡管引入氣流冷卻，燃燒室壁溫一般仍在900°C以上,常用易成形、可焊接的高溫合金(新型鎳基和鈷基合金)板材制造。為了防止燃氣沖刷、熱腐蝕和隔熱，常噴涂防護涂層。彌散強化合金不需涂層即可用于制造耐1200°C的燃燒室。燃燒室用的材料均可用于制造加力燃燒室和尾噴管。制造渦輪葉片和渦輪盤的材料是影響發(fā)動機性能的重要材料。適宜于制造渦輪葉片的材料有鑄造鎳基合金?，F(xiàn)代試驗型發(fā)動機的渦輪進口溫度已達到1650°C，更高的要求達到1930°C。正在研制定向單晶、定向共晶、鎢絲增強鎳基合金和陶瓷材料，研制彌散強化鎳基合金和新型粉末渦輪盤合金，以適應(yīng)更先進發(fā)動機的渦輪葉片和渦輪盤的需要。3